Montáž elektronických obvodů (Povrchová montáž a další ) (3) Assembly of electronics circuits (Surface Mounted Technology and other )

Transkript

1 Montáž elektronických obvodů (Povrchová montáž a další ) (3) Assembly of electronics circuits (Surface Mounted Technology and other )

2 Obsah 1. Úvod 2. Nanášení pájecí pasty 3. Osazování součástek 4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění 7. Testování

3 Úvod Technologie povrchové montáže představuje jednu z dominantních stále se vyvíjejících technologií používaných pro konstrukci mikroelektronických obvodů a systémů. Charakteristickou operací je pájení přetavením, kde se součástky se speciálními vývody usadí do pájecí pasty a potom v jediném kroku přetaví a tím i připojí. Příčinou neustálého vývoje je snaha o stále vyšší miniaturizaci a také optimalizaci technologického procesu. To se projevuje jak ve vývoji nových materiálů a součástek včetně pouzder, tak i v neustálém zdokonalování a zavádění nových postupů a operací technologického procesu povrchové montáže. Nepřetržitě se stupňují také požadavky na zlepšování parametrů jak zařízení, tak materiálů, součástek, výrobků, systémů...

4 Úvod Konstrukční provedení obvodů technologií povrchové montáže má oproti klasickému provedení s montáží součástek do děr celou řadu výhod, mezi něž patří především: snížení hmotnosti a rozměrů (pájení přetavením umožňuje snížení vzdáleností mezi pájenými spoji až k 0,15 mm, což dává předpoklady ke snižování rozměrů součástek a jejich hustější montáži), zkrácení délky vodičů a tím zvýšení rychlosti zpracování signálu (vyšší pracovní kmitočet), všeobecně vyšší spolehlivost (v důsledku redukce počtu pájených spojů a křížení vodičů), snížení nákladů v poměru k integraci (včetně úspory materiálů), minimalizace investic na automatizaci (jednotlivé operace jsou unifikovány).

5 Úvod Existují dva základní směry aplikace povrchové montáže podle materiálu základní nosné podložky: substrát z anorganických, především keramických materiálů substráty z organických materiálů, především na bázi laminátů (PCB) Součástky mohou být montovány na substrát jednostranně nebo oboustranně

6 Co obnáší povrchová montáž Step 1: Design for Manufacture (DFM) Step 2: Process Control (SPC) Step 3: Substrate Performance Step 4: Solder Paste Deposition Step 5: Component Assembly Step 6: Reflow Process Step 7: Cleaning Process Step 8: Test and Rework

7 Úvod - DfM Větší výtěžnost procesu Nižší náklady Engineering disciplína založená na technických, matematických a vědeckých znalostech pro návrh a zpracování materiálů, struktur, zařízení, systémů a procesů, jež musí bezpečně a spolehlivě realizovat požadované objekty a vynálezy Návrh Výroba Krok 1 Návrh Krok 2 Ověřovací výroba Výroba Krok 3 Korekce - DfM

8 Úvod - Process Control (Řízení procesu) Virtuální kontrola (Virtual Process Engineering Controll) přes software: Virtuální DPS Virtuální linka s logickým sledem operací Definování procesu (parametry, programy, síta, zásobníky ) Výroba DATA

9 Úvod Technologický sled výrobních operací v povrchové montáži může být uspořádán či kombinován různým způsobem, avšak stěžejní jsou téměř vždy následující technologické operace, kterými jsou: - nanášení pájecích past a lepidel, - osazování součástek, - pájení přetavením - čištění - testování

10 Obsah 1. Úvod 2. Nanášení pájecí pasty 3. Osazování součástek 4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění 7. Testování

11 Nanášení pájecí pasty Tři základní způsoby: sítotiskem šablonovým tiskem dávkovačem Ve všech případech je základní materiálové složení pájecí pasty (solder paste) stejné : pájka + tavidlo, liší se složením a velikostí kovových částic Lead Free: No Clean, Water Soluble, Rosin Mildly Activated (RMA) - Prášek typ 3 s Mesh -325/ +500 je používán pro >16mil (0,4mm) rozteče, - Prášek typ 4 s Mesh -400/ +500 pro <16mil (0,4mm) rozteče - Prášek type 5 s Fine mesh -450 pro <10mil (0,25mm) rozteče

12 Nanášení pájecí pasty - sítotiskem Faktory působící v procesu sítotisku lze rozdělit na: - vnitřní (působící bezprostředně při tisku - přenosu pasty), jimiž jsou odtrh (vzdálenost síta nad substrátem, rychlost stěrky a tlak stěrky, - vnější (zvolené předem, před započetím procesu) reprezentované volbou síta a typem šablony, parametry pasty, typem a parametry substrátu, a také materiálem a provedením stěrky. Pro sítotisk platí zásada, že odtrh a síla na stěrku musí být nastaveny na minimální hodnotu, avšak nezbytně nutnou resp. Dostatečnou k tomu, aby byl zajištěn přesný a reprodukovatelný přenos pasty požadovaného obrazce resp. motivu na substrát.

13 Nanášení pájecí pasty - šablonovým tiskem Šablonový tisk je svou základní podstatou obdobou sítotisku. Rozdíl je v provedení šablony, jejíž motiv určený k tisku je vytvořen v pevném (tuhém) materiálu, kterým často bývá ocelová nebo bronzová planžeta (např. CuSn6). Šablona se přikládá přímo na substrát, takže hodnota odtrhu o je v době pohybu stěrky rovna nule. Vlastní odtrh šablony od substrátu je pak proveden mechanickým pohybem až po ukončení pohybu stěrky a tedy po nanesení pasty do volného prostoru (motivu) v šabloně. Z toho je zřejmé, že tištěné motivy musí být natolik uzavřené plochy aby nebyla narušena tuhost šablony.

14 Nanášení pájecí pasty výroba šablon Výroba šablon je jedním ze stěžejních kroků šablonového tisku, kde se používají především následující metody výroby: - chemicky leptané, - elektrogalvanicky nanášené, - polymerní, - řezané laserem.

15 Chemické leptání šablon Chemické leptání Šablona se vytváří chemickým odleptáním plechu z nerezové oceli, kdy se na plech nanáší obraz z chemicky odolné látky, která chrání místa, která nemají být odleptána. Tato metody vytváří šikmé hrany, které mohou způsobit zatékání past při velmi jemných strukturách i když jsou hrany otvoru hladké

16 Laserové řezání šablon Šablony se vytváří řezáním pomocí laserového paprsku do kovové desky. Laser řeže otvory do kovové desky kontinuálně s lichoběžníkovými hrany (s proměnnou kuželovitostí). Tyto šablony jsou obecně drahé než chemicky leptané šablony. Vnitřní stěny mohou pomocí elektrolytickému leštění dosáhnout hladkého povrchu. Metoda je vhodná pro velmi přesné aplikace a používají se i pro tisk na wafer.

17 Galvanoplastické šablony Šablony vytvořené touto metodou jsou nejlepší pro velmi jemné struktury a tisk na wafery. Proces se skládá z nanášení niklu na fotoaktivní plastovou vrstvu pokovováním, která se vytvrzují působením světla až na požadovaný motiv šablony. Fotoaktivní vrstva se po dosažení tloušťky niklové vrstvy 25 µm odstraní. Šablona vytvořená touto metodou je 5-10x levnější než šablona vytvořená laserovým řezáním o stejném množství otvorů.

18 Parametry pasta - šablona Nejdůležitějšími parametry pasty jsou viskozita a velikost zrn. U pasty je velikost zrn resp. částic pevné fáze pasty velmi důležitá. Ta totiž souvisí s parametry síta nebo šablony. Výrobci udávají velikost zrn v pastě vztaženou na typ síta (udává se typ pájecí pasty od 1 do 5). Například jednou z nejpoužívanějších pájecích past je typ 3 (- 325/+500). Toto označení znamená, že pasta projde bezpečně sítem 325 ok (údaj se znaménkem -), ale neprojde sítem s počtem ok 500 (údaj se znaménkem +). Nejrozšířenější pájecí pasta typu 3 je vhodná i pro součástky s roztečí vývodů typu Fine Pitch, tedy 0,4 až 0,635 mm. Maximální velikost částic je 45 m umožňuje použití pro rozteče 0,5 mm (minimální rozměr motivu 0,225 mm). Zde je nutné použít šablonu tloušťky < 180 m, což odpovídá 2-4 částicím pasty na uvedenou tloušťku šablony.

19 Parametry pasta - šablona Tloušťka šablony t se volí podle rozměrů motivu, přičemž kritický je minimální rozměr. Platí obecné pravidlo, že nejmenší rozměr pravoúhlého motivu musí být více než 1,5 tloušťky šablony, což lze vyjádřit vztahem Aspect Ratio): Xmin : t 1,5 Tento poměr vyjadřuje hledisko bezpečnosti pro přenos pasty šablonou, avšak může být ovlivněn dalšími faktory jako je velikost zrn pasty, drsnost substrátu atd. Pro přesnější určení se používá vztah, jenž uvažuje plochu nanášeného motivu (l x w) a je vyjádřením poměru plochy motivu ku ploše vnitřních stěn motivu na šabloně Area Ratio). Pro pravoúhlý tvar tedy platí: Area ratio 2 l w l t 2 w t Pro kruhový otvor pak bude platit: Area ratio 2 r 2 rt r 2t kde r je poloměr otvoru a t je opět tloušťka šablony.

20 Dnes je základním kritériem jakosti tisk pasty pro malé čipy Topologie VISHAY 0402 X=0,56mm Y=0,6mm Z=1,45mm G=0,25mm Správné středění pro ideální výsledek ±0.014mm!!!!!

21 Některé z vad v důsledku špatného tisku Špatná poloha tisku Thombstone : Mnoho pasty Thombstone Kuličkování Zkraty Málo pasty Nezapájení Vadný spoj Nečisté kontury Kuličky Zkraty

22 Nanášení pájecí pasty hrotem Nanášení tixotropních materiálů na substráty je možné provádět také s pomocí dávkovačů (dispenzerů), které dodají na substrát potřebné množství viskózního materiálu a tento se při dotyku se substrátem důsledkem adheze na něj uchytí. Tato technika může být využívána pro nanášení pájecí pasty, ale především pro nanášení lepidel v případě lepení součástek na substráty, např. před pájením na vlně. V takových případech se jedná o mikrodávkovače, které jsou obecně charakterizovány množstvím nanášeného materiálu menším než 1 g.

23 Nanášení pájecí pasty dávkovačem tlakový adaptor tlakový vzduch píst zásobník p ájecí pasta spojovací hadič ka šnek pouzdro trysk a ( a ) ( b ) V případě tlakového nanášení s definovanou dobou je pasta protlačována po určitý definovaný čas dávkovací hlavicí s tryskou, jež je podobná injekční stříkačce. Tlak je vyvolán stlačeným vzduchem (0,3 Pa), po dobu odpovídající požadovanému množství nanášené pájecí pasty. Pro běžné aplikace to je mezi 50 až 200 ms.. Nanášení pájecí pasty s využitím rotační pumpy - zásobník s pájecí pastou je pod konstantním tlakem 0,5 bar, což zabezpečí naplnění hlavice v níž je vedeno vřeteno. V době, kdy se vřeteno začne otáčet naznačeným směrem, dojde přes trysku k přenosu pasty na kontaktní plochu. Parametry takového zařízení jsou rychlost otáčení vřetena, doba otáčení vřetena, plnící tlak a kapacita hlavice.

24 Kontrola pájecí pasty po nanášení (dle SMTA je vztaženo 74% poruch PCB k pájecí pastě) Tři hlavní typy poruch: - zkraty (bridges) 35% - nedostatečné množství 21% -chybějící pasta (open) 17% - rozmazaná pasta 9% SPC Cp. Cpk

25 Jak vypadá vlastní tisk BGA rozteč 1mm QFP rozteč 0,5mm Homogenita na velké ploše

26 Obsah 1. Úvod 2. Nanášení pájecí pasty 3. Osazování součástek 4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění 7. Testování

27 Osazování součástek Ačkoliv existují různé osazovací systémy, základní princip je u všech zařízení stejný. Součástka je uchopena, vystředěna do polohy určené k připájení a vsazena na určené kontaktní plošky na substrátu. Pro tento způsob osazování se vžil název pick and place (vezmi a umísti). Hlaví parametry osazování jsou: - flexibilita - rychlost - přesnost

28 Přesnost osazování Úspěšnost této operace závisí na přesnosti komponent vstupujících do tohoto procesu, resp. na splnění předem stanovených rozměrových tolerancí, jež se týkají: - substrátu s vodivými kontaktními ploškami, - součástek, - osazovacího zařízení.

29 Osazování součástek páskové zásobníky Standardní šířky páskových nosičů (w) jsou 8, 12, 16, 24, 32, 44 a 56 mm. Tomu odpovídají i konstrukce osazovacích zařízení.

30 Osazování součástek mechanický podavač Pohled na mechanický podavač SMD součástek z páskového zásobníku (A- tělo podavače, B- trnové kolo posuvu pásky, C- navíjecí kladka krycí pásky, D- upínací kleština, E- drážka pro vedení pásky od cívky, F- středící kolíky pro přesné uchycení na stroj, G- rameno pohonu mechaniky podavače)

31 Osazování součástek Funkcí modulu obsahujícího zásobníky s požadovanými součástkami je zajistit ve správném okamžiku připravenost odpovídající součástky k odebrání hlavou. Konstrukce zásobníků je odvislá od způsobu balení SMD součástek. Existují následující typy zásobníků : - páskové (kotoučové) zásobníky, - vibrační nebo vířivé zásobníky, - tyčové zásobníky, - ploché zásobníky, - zásobníky pro polovodičové čipy. M E L F kontakty zásobníková komora R/C SMD ř adící trubice pružná trubice

32 Osazování součástek Osazovací zařízení musí zajistit následující funkce, které současně tvoří základní technologické kroky průběhu této operace: A.) transport substrátů, jejich upevnění a umístění pro vsazování součástek B.) uchycení zásobníků se součástkami a jejich přípravu k osazování C.) vyzvednutí, vystředění a osazení součástek na substrát SMD manipulátor z x y dopravník osazovaných substrátů zásobníky

33 Osazovací hlavy Hlava provádí: - uchopení součástky (pick) - kontrolu správné součástky - zaměření součástky (polohování) - umístění součástky (place) - kontrolu umístění

34 Osazování součástek - zaměření a polohování Zaměření a vystředění součástek se provádí potom, kdy dojde k uchopení součástky vakuovou pipetou umístěnou na osazovací hlavě. Vystředění součástky uchopené vakuovou pipetou je prováděno jedním z následujících způsobů : - mechanicky, s pomocí upínacích čelistí, - opticky, s použitím optického zaměřovacího systému. y II b difuzér l I l y dx dy x SMD pipeta značky optika I a II a l x I b f CCD kruhová fluorescenční lampa l II

35 Přesnost osazování pájecí plochy h W p f W P G s ID pájecí pasta O W l vývody součástky 1. kritérium (izolační mezera): f t P,5W 0, 5W ID kritérium (překrytí vývodu s pájecí plochou): f t,6w 0, 5W O kritérium (kritická mezera): f t P 0,5 Wp 0,5 W1 h G s x 0,003. N. P.

36 Osazování součástek transportní systém Transportní část osazovacího zařízení tvoří modul, jehož funkcí je zajištění nezbytné manipulace se substrátem. Sestává z následujících pracovních úkonů : -průběžný přísun neosazených substrátů, - dopravení substrátů do definovaného pracovního prostoru, - uchycení substrátů v požadované pracovní poloze (x, y, ), - odsun osazených desek. Tab. : Možné varianty řešení transportu substrátů u osazovacích zařízení Koncepce dopravníku v pracovní poloze Koncepce osazovací hlavy Bez pohybu Pohyb ve směru os x a y Pohyb ve směru osy x Pohyb ve směru osy y Pohyb ve směru osy y Pohyb ve směru osy x Pohyb ve směru os x a y Pevná poloha

37 Osazování součástek Osazovací hlavy pracují na principu manipulátorů s posuvy ve všech třech směrech os (x, y, z), a s možností natáčení v rozsahu 0 až 360 o, a to nejen nad substrátem, ale i nad prostorem zásobníků. Uchycení součástky se provádí vakuovou pipetou a pro vystředění slouží buď modul opatřený kolem pipety kleštěmi nebo vizuální modul měřící odchylky vzhledem ke středu pipety ve směrech os x, y a natočení. Osazovací modul musí zajistit vsazení součástky do požadované polohy na substrátu. Sestává ze dvou částí : - z manipulátoru zajišťujícího pohyb v osách x a y, - z osazovací hlavy s vakuovou pipetou zajišťující pohyb ve směru osy z a otočení. uchycení manipulovaného nástroje ( osazovací hlavy ) M y y x M x M y -1 y x M x 2- M y T - pohon H - pohon

38 Osazování součástek Rychlé a flexibilní (chip schooter): souč/h -přesnost 20μm až 25 x 25 mm Pro velké součástky souč/h - ± 40 μm až 100 x 50 mm

39 Moderní osazovací zařízení KE 2050R, 2055R, 2060R

40 Obsah 1. Úvod 2. Nanášení pájecí pasty 3. Osazování součástek 4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění 7. Testování

41 Pájení součástek Pájení je nejrozšířenější a nejspolehlivější metodou spojování součástek používanou v elektronice. Je ale také známa skutečnost, že spolehlivost pájených spojů má významný vliv na jakost finálního výrobku. U ručně prováděných pájených spojů se dosahovalo spolehlivosti přibližně Teprve po zavedením tzv. strojního pájení, u něhož se s postupem času vžil název pájení vlnou, se spolehlivost o několik řádů zlepšila. Dalším pokrok do pájení vneslo pájení přetavením. Přesto i dnes je většina poruch vyskytujících se v elektronických zařízeních způsobena poruchami pájených spojů.

42 Pájení součástek teplotní profil teplota [ C] čas [s]

43 Pájení součástek ΔT zařízení: délková a podélná teplotní nestabilita ΔT součástek: rozdíl teplot mezi největší a nejmenší součástkou, mezi komponentami s nejvyšší a nejnižší teplotní kapacitou nebo různými barvami

44 Pájení vlnou Pájení vlnou (Flow Soldering nebo také Wave Soldering) je osvědčený způsob pájení DPS. Předností je vysoký stupeň automatizace umožňující vytvářet v kontinuálním procesu velký počet spojů v relativně konstantních podmínkách mm teplota součástek C úhel 7 tavidlo tlak 0.7 kg/m 2 vzduchový nůž tlak 0.7 kg/m 2 pájka C Pro typ pájky Sn60Pb40 (případně Sn63Pb37) byla požadovaná teplota pájky v pájecí vaně minimálně o C, aby byla zaručena teplota na substrátu 215 až 220 o C. Pro nejpoužívanější bezolovnaté pájky SA a SAC, např. Sn96Ag4 musí být teplota pájky v pájecí vaně výrazně vyšší, a to 245 až 260 o C aby byla v místech tvorby spojů teplota zaručující dobré smáčení (ta musí být o C ). Avšak teploty kolem 260 o C již nebezpečně zvyšují riziko poškození nebo zničení součástek. Proto se doporučuje nepřekročit v pájecí vaně teplotu 255 o C.

45 Pájecí vlna

46 Teplotní profil pájení vlnou

47 Pájení vlnou

48 Pájení vlnou

49 Pájení přetavením Základní princip využívaný při pájení přetavením (Reflow Soldering) vychází z tiskových metod využívaných pro nanášení tlustovrstvých materiálů. Pájka ve formě pasty je nanesena na pájecí vodivou plochu předem, potom se na ni osadí součástky, a vzápětí se přetaví teplotou poněkud vyšší, než je bod tání pájky. Důležitým faktorem je teplotní profil představující průběh teploty na čase po dobu pájení. Nejvyšší teplotou je teplota přetavení, ovšem důležitý je také náběh teploty z počáteční pokojové teploty, dále předehřev a také závěrečná fáze po přetavení - chlazení. To vše ovlivňuje tvorbu a vznik pájeného spoje, a především pak i jeho spolehlivost a životnost. Základními parametry jsou: - náběh na teplotu předehřevu, - teplota a doba předehřevu, - maximální teplota přetavení, - doba na teplotou liquidu, - průběh chlazení. Důležité je zajištění rovnoměrné a konstantní teploty v příčném řezu pece. Toto je ovlivněno velikostí a barvou součástek, a to vše dále souvisí se způsobem ohřevu resp. přenosem tepla ze zdroje na pájené spoje. Přenos tepla na pájené spoje při pájení přetavením může být proveden následujícími způsoby : - vedením (kondukcí), - prouděním (konvekcí), - nebo zářením (radiací).

50 Pájení přetavením Podle způsobu ohřevu se rozlišují následující metody pájení přetavením : pájení infračerveným zářením (krátce nazývané pájení infraohřevem), pájení horkým vzduchem nebo plynem (konvekční ohřev), pájení v kondenzovaných parách (krátce nazývané pájení kondenzační), pájení laserem, pájení vyhřívaným nástrojem (někdy nazývané pájení impulsní), pájení na horké desce nebo pásu.

51 Pájení přetavením - infra teplotní senzory infra zářiče směr pohybu pásu C A C B C A C B C A C B C A C B

52 Pájecí zařízení konvekční ohřev

53 Lead-free Pájení přetavením

54 Teplotní profil pájení přetavením

55 Pájení přetavením v parách Pro pájení bezolovnatými pájkami se používají kapaliny s teplotou varu 230 o C. Jsou to např. perfluorpolyether nebo perfluoramin. Podle typu pracovní kapaliny lze nastavit bod varu pracovní kapaliny v rozsahu o C. Bod varu pracovní kapaliny tak definuje velmi přesně mezní hodnotu teploty přetavení. Ta je v tomto případě závislá na jediném parametru, což je hlavní předností pájení v parách. ( a ) transport ( b ) sekundární zóna primární zóna sekundární cívky primární cívky DPS 200 T [ C] C přetavení předehřev pájení chlazení ohřev čas [s]

56 Pájení v parách základní princip (1) Připravený k pájení Air C Water Cooled Housing Circular Water Cooling Vapour C Condensing Fluid Process fluid C

57 Pájení v parách základní princip (2) Studené substráty jsou vloženy Air C Water Cooled Housing Circular Water Cooling Vapour C Condensing Fluid Process fluid C

58 Pájení v parách základní princip (3) Substráty jsou v pájecích parách Air C Water Cooled Housing Circular Water Cooling Vapour C Condensing Fluid Process fluid C

59 Pájení v parách vs. Konvenční metody pájení přetavením 217 C 0,4 K/s 1,2 K/s 3x vyšší teplotní gradient (0,4 K/s vs 1,2 K/s) snižuje dobu pájení, a to při zcela homogenním rozložení teploty

60

61 Pájení přetavením - laser Původně infračervené záření o vlnové délce 10,6 m z CO 2 Nd YAG laseru (vlnová délka 1,06 m), jež se ukázalo jako způsob vhodný pro pájení vývodů součástek Fine Pitch (záření je na rozdíl od záření CO 2 laseru velmi dobře absorbováno pájkou). Vlastní ohřev probíhá impulsem dlouhým přibližně 300 ms a při výkonu 11,4 W.mm-2 je dosaženo na pájeném spoji teploty 293 o C. Prodleva na chladící části impulzu odpovídá eutektické teplotě pájky. ( a ) ( b ) T 293 C scanovací mechanismus SMD laserový paprsek t [0.1 s/dílek]

62 Pájení přetavením Nižší přetlak par v součástkách v procesu pájení, jenž souvisí s nižší pracovní teplotou vyvolává jev nazývaný popcorn effect. Vlhkost uvnitř pouzder způsobuje s rostoucí teplotou uvnitř pouzdra tlak par, což vede k delaminaci vrstev a poškození funkčnosti. Kritické jsou teploty nad 200 o C, přičemž čím je hodnota teploty vyšší, tím je vyšší i riziko poškození.

63 Pájení ruční Pro ruční pájení součástek platí následující pravidla: maximální teplota pájky nesmí přesáhnout o více než 80 až 100 O C nejvyšší teplotu pevné fáze, což znamená teplotu 260 až 290 O C, je nutné znát vztah mezi teplotou pájky a teplotou hrotu teplota pájky musí být dosažena v co nejkratším čase (potřebná teplota hrotu je mezi 320 a 350 O C pozor na umístění senzoru), teplota mezi hrotem pájedla a pájeným spojem se musí v průběhu pájení pohybovat v pásmu nad bodem tání pájky (pro bezolovnaté pájky přibližně 225 C), ale pod hranicí 260 C, kdy už jsou pájená součástka a substrát vystaveny nebezpečí poškození a v pájeném spoji dochází k nadměrnému nárůstu difúzní vrstvy. čas vlastního pájení (pájka je v tekutém stavu) se pohybuje mezi 2 až 5 s, celkový čas pájení, tedy doba přiložení hrotu, závisí na výkonu pájedla, tepelném odporu pájecího hrotu a teplotních přechodových odporech, avšak neměl by přesáhnout z hlediska omezení přenosu tepla na součástky čas 6 s.

64 Pájení ruční nastavení napájení 230V/24V R topné těleso regulační smyčka termočlánek pájecí hrot a) b) topné těleso teplotní senzor Cu pouzdro výměnný hrot pájecí hrot směr pájení pájecí vodivá plocha ztuhlá pájka oxidová vrstva tavidlo pájka substrát

65 Ruční pájení teplotní profil C nastavení napájení 230V/24V R topné těleso regulační smyčka termočlánek pájecí hrot a) b) topné těleso teplotní senzor Cu pouzdro výměnný hrot teplota hrotu 320! 250 procesní okno ! 25 pokojová teplota (součástka) doba pájení

66 Pájení selektivní Základní technologický postup procesu selektivního pájení je možné shrnout do následujících kroků: velmi přesné selektivní nanesení tavidla globální ( příp. lokální) předehřev selektivní (lokální) ohřev místa, kde vzniká pájený spoj V procesu selektivního pájení dochází ke krátkému ohřevu spoje a tím i součástky, k čemuž se používají různé způsoby přenosu tepla: hrotem (odporový vf ohřev asi 80W), mikroplamenem (energie se dodává hořením plynu), laserem, indukčním ohřevem (energii dodává elektromagnetické pole), mikrovlnou

67 Pájení selektivní

68 Pájení selektivní

69 Ochranná atmosféra při pájení Použití ochranné atmosféry v procesu pájení přináší hned několik výhod, z nichž ty nejvýznamnější jsou: snížení spotřeby pájky (dosažení omezení propalu pájky), ochrana před povrchovou oxidací pájených povrchů i pájky (zajištění lepší smáčivosti, a s tím omezení používání tavidel), snížení povrchového napětí na povrchu pájky (lepší roztékavost a menší konkávnost pájky).

70 Ochranná atmosféra při pájení - pájení vlnou v ochranné atmosféře, Pájení vlnou v ochranné atmosféře umožňuje použití neagresivních, bezoplachových tavidel a tím v řadě případů vyloučení nutnosti čistění desek po pájení. Pájené spoje i jejich okolí jsou vzhlednější a celý proces je z hlediska ekologie a bezpečnosti příznivější. Nevýhodou jsou poměrně vysoké počáteční náklady, složitější a objemnější zařízení a také spotřeba dusíku. PRO DOSAŽENÍ POŽADOVANÝCH VÝSLEDKŮ V PLNÉ MÍŘE JE POVOLEN JEN MALÝ OBSAH KYSLÍKU V ATMOSFÉŘE PÁJENÍ, POUHÝCH 10 PPM. To je požadavek kladoucí vysoké nároky na konstrukci zařízení (cena se až zdvojnásobí oproti běžnému zařízení). Byly vyvinuty i systémy s vyšším obsahem kyslíku (pouze lokální ochrana v prostoru pájecí vlny), které mají 50 ppm O 2 (tzv. Nitrogen Hood) a dokonce 500 ppm O 2 (tzv. Nitrogen Blanket).

71 Ochraná atmosféra při pájení - pájení přetavením v ochranné atmosféře, Úprava zařízení pro pájení přetavením v ochranné atmosféře se nezdá být na první pohled tak náročná jako při pájení vlnou. Dosažení určitého zlepšení je pozorovatelné již od hladiny kyslíku 1000 ppm, což je hlavní odlišností při porovnání s pájením vlnou. Již za této podmínky lze pozorovat dobrou smáčivost, a také potlačení změny barvy desek plošných spojů v blízkosti spojů. Mezi nevýhody použití ochranné atmosféry patří vyšší pořizovací a provozní náklady ve srovnání s běžnými zařízeními pro pájení přetavením v normální atmosféře, i když ne v tak výrazné míře jako u pájení vlnou.

72 Ochraná atmosféra při pájení vakuové čerpání plasmové leptání inertní atmosféra vstupní komora předehřev vlna výstupní komora Obr. : Pohled na test pájky metodou SBSA (Sessile Ball Shape Analyze) provedený pájkou SAC na keramickém substrátu a) v normální atmosféře b) v dusíkové atmosféře

73 Dusíkový zákryt Použití dusíku pro pájení bez olova je přínosem, ale není to vždy nutnost.

74 Obsah 1. Úvod 2. Nanášení pájecí pasty 3. Osazování součástek 4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění 7. Testování

75 Čištění Důvodů pro čištění po pájení je celá řada, ale všechny souvisí se splněním požadavků, jejichž společnými jmenovateli je dosažení požadované jakosti a spolehlivosti. Mezi důvody pro čistění patří např.: splnění požadavku na hodnotu izolačního odporu (především z hlediska dlouhodobého působení vlhkosti), vyloučení působení zbytků tavidla v dalším časovém horizontu, omezení problému nemožností hrotového měření na substrátu, neomezit adhezní vlastnosti pro ochranné vrstvy, zlepšit kosmetický vzhled osazené desky. Čistit je ale třeba i z jiných důvodů, např. odstranění nečistot na substrátech nebo čištění sít a šablon po tisku.

76 Čištění Zbytky nečistot na substrátech po osazování a pájení mohou výrazným způsobem ovlivnit spolehlivost. Proto se ukazuje nutné je sledovat resp. kontrolovat. Ukázalo se, že zbytkové nečistoty na osazených substrátech mohou být dvojího původu, a to: A. Chemické. B. Kovové. ad A. Chemické nečistoty mohou pocházet z tavidel použitých v procesu pájení, z výroby desek plošných spojů a také ze samotných součástek (zvláště z procesu pocínování vývodů). Jsou obyčejně iontového původu, a proto zvláště při vyšší relativní vlhkosti může docházet ke všeobecnému snížení izolačních odporů. To je tím více kritické, čím jsou menší vzdálenosti mezi vodiči. ad B. Kovové nečistoty jsou způsobeny v prvé řadě rozpustností zúčastněných kovů v roztavené pájce, která je pro různé kovy rozdílná. Problémy mohou nastat např. u tlustých a tenkých vrstev, neboť drahé kovy (především zlato a stříbro) se velmi rychle v pájce rozpouští (difundují). To může vyvolat jak degradaci vrstvy, tak i pájeného spoje.

77 Čištění po pájení Tavidla s nízkým obsahem pevné fáze Tavidla R a RMA Tavidla RA (kalafunová a bezkalafunová) (kalafuna a mírně akti- (aktivovaná kalafuna) vovaná kalafuna) požaduje specifikace tavidla čištění? ANO NE čistit nečistit na bázi rozpouštědel na bázi vodních roztoků polovodní a emulzní rozpouštědla ultrazvukové - alkoholy - voda (deionizovaná) - voda a hydrokarbonová - ostatní mechanické - trichlóretylén - vodní roztoky rozpouštědla energie - CFC - saponáty - mikroemulzní - glykoletery - saponifikátory - terpeny Obr. : Hlavní směry čištění podle typu a specifikace použitého tavidla

78 Klasifikace tavidel ANSI-J-STD-004

79 Klasifikace tavidel ISO

80 VOC-free flux 977 klasifikace (Kester) ANSI-J-STD-004 : ORL0 -OR = Organic -L = Low -0 = No Halides ISO ISO : 223A -2= Organic -2= Non water-soluble -3= Non halide activated -A= Liquid

81 Čištění Obr. : Zkrat způsobený zbytky nečistot na substrátu

82 Čištění Pokud je používáno ve výrobním procesu čištění, je třeba dbát na omezení spotřeby čistících látek. Toho lze dosáhnout některým z následujících způsobů a jejich kombinacemi : změnou resp. modernizací čistícího procesu, využíváním informací a rad od dodavatelů čistících látek, účinnou kontrolou procesu (monitorování, vyhodnocování a řízení), školením obsluhy, úpravou zařízení redukující odpařování (uzavření prostoru, stínění apod.), instalací recyklačního zařízení, zavedením ekologických čistících metod (alkalické zmydelnění pryskyřic nebo rozpouštědlové vodní čištění).

83 Čištění Modulclean Délka cyklu min Střední teplota max 50 o C (air 110 o C) Střední obsah 56 l/vigon, 29 l voda váha 420 kg Super SWASH a Compaclean

84 Čištění Tabulka: Celkový trh čistících prostředků pro elektroniku v létech Rok vodní (%) polovodní (%) rozpouštědla (%) ,7 18,0 5, ,8 17,3 4, ,0 16,7 4, ,9 16,1 4, ,4 15,9 3, ,6 15,9 3,5

85 Čištění Degradační testy simulují degradační chování za ztížených resp. urychlených klimatických a elektrických podmínek. Zbytky iontových nečistot na substrátu pak způsobují zhoršení izolačních vlastností a tvoří centra vyvolávající následnou korozi nebo elektromigraci. Tyto testy mohou probíhat v různých podmínkách. Příkladem je jeden z nejčastěji používaných testů realizovaný při stejnosměrném napětí minimálně 100 V, v teplotních cyklech např. 25 a 65 C, při relativní vlhkosti 90 %, po určitý čas (např. 250, 500, 1000 h) se změnou teploty po osmi hodinách. Test může být proveden i za stálých klimatických podmínek, např. 40 C a 93 % relativní vlhkosti. Sledují se hodnoty izolačního odporu měřeného jako vrstvový odpor, jež se mohou pohybovat v rozsahu 10 9 až na čtverec.

86 Měření nečistot na substrátech V souvislosti s přítomností iontových nečistot na substrátu po pájení je možné provést vyhodnocení jejich množství nepřímou extrapolační metodou s pomocí měření vodivosti přímo na substrátu. Měřící metoda je definována normou MIL-P a je založena na nanesení testovacího izopropylového roztoku (75 %) s destilovanou vodou (25 %) na desku plošného spoje a následným měřením jeho odporu. Zatímco počáteční měrný odpor roztoku je 6 M. cm, jeho hodnota po rozpuštění nečistot nesmí klesnout pod 2 M. cm. Následně se vypočítává ekvivalent množství NaCl na substrátu jako úroveň znečistění v g.cm 2 (ekvivalentní hodnota je 1,56 NaCl g.cm -2 pro myté desky).

87 Příklad typického průběhu naměřených hodnot iontového znečištění desky plošného spoje Změna vodivosti testovacího roztoku je měřena a vyhodnocena přímo v g.cm -2 odpovídajícím množství NaCl. 1,2 NaCl [ g / cm 2 ] 1,0 0,8 0,4 0,2 0 0,467 0,933 1,400 1,867 2,333 2,800 3,267 3,733 4,200 4,667 5,133 5,600 čas [ min ]

88 Test vlivu čištění na smáčecí úhel Měření průměru zapájených oblastí (pro měření byl použit mikroskop Olympus SZ61 a software Olympus Industrial v. 2.2)

89 Čištění Obr. : Rozhodovací faktory pro zavedení procesu čistění

90 Obsah 1. Úvod 2. Nanášení pájecí pasty 3. Osazování součástek 4. Pájení součástek 5. Ochranná atmosféra při pájení 6. Čištění 7. Testování

91 Testovací metody pro elektronické sestavy FT (Funkční testy) konečného produktu ET (Elektrické testy) dílčích sestav (např. DPS ) ICT (In Circuit testy ) vnitroobvodové testy obvodů/součástek na DPS AXI (Automatická X-ray inspekce ) pro pájené spoje a přítomnost součástek AOI (Automatická optická inspekce) pro pájené spoje a součástky VI (Vizuální inspekce ) subjektivní optická kontrola člověkem

92 Oblasti použití různých kvalitativních testů ve výrobě Funkční test Elektrický test In Circuit test AXI AOI Vizuální inspekce Finální montáž (balení ) Kompletace (přidání nepájených položek) Pájení v pájecí lázni Osazení vývodových součástek Pájení v peci Montáž SMD součástek Tisk pájecí pasty Výrobní pozice:

93 Charakteristika AOI Bezkontaktní měření Flexibilní a rychlé programování ve srovnání s elektrickými testovacími systémy Vhodné pro téměř všechny fáze výrobního procesu Rychlá návratnost investic Nevýhody: lze detekovat jen viditelná místa a mohou vznikat pseudodefekty. Operační princip: Pokud je zjištěn vizuální defekt, musí být odstraněn před dalším zpracováním tak, aby se dále neopakoval.

94 Proč omezená detekce na vývodech IC? Horní pohled IC vývod Střižená hrana IC vývodu (oxidovaná měď) Pohled.strana A B Pájecí plocha menisky pájky S ohledem na odstřižené konce vývodů je meniskus velmi malý nebo téměř žádný (A) Skutečný meniskus (B) je na odvrácené straně vývodu.

95 Techniky používané v AOI Mohou být využity různé měřící principy : 1. Korelace (porovnání obrazu) 2. Syntetické modelování (obrazy pro porovnání syntetické předlohy je odvozen z reálných obrazů referenční obraz) 3. Vektorové modelování (matematické modelování založené na 3D rozměrech součástek z katalogů, kontrolované položky nejsou reprezentovány obrazy, ale čísly). Všechny principy mohou fungovat s barevnou i Č/B kamerou, avšak vektorová analýza se provádí převážně v černobílém režimu

96 Barevná vs. černobílá kamera v AOI Barva nabízí účinnější a všestrannější detekci (např. tmavě zelená DPS vs. tmavé součástky ) 24bitová vs. 8bitová detekce Barevné rozhraní poskytuje méně operačních chyb a účinnější programování Barevné obrázky jsou užitečnější v opravářských procedurách Široké využití barev v SMT průmyslu je typická charakteristika; AOI užívající barevný algoritmus z toho těží

97 Detekční analýza Nejlepší detekce poruch lze dosáhnout kombinací různých způsobů: AOI + ICT + AXI + funkční test +. Ale 100% pokrytí není prakticky možné! Výběr zařízení je prováděn podle efektivnosti využití a s ohledem na výši investičních prostředků.

98 Problematika testování u bezolovnatých pájek (AOI) Pájecí pasta má světlejší barvu Pájený spoj se po nahřátí jeví jako světle šedý Menší lesk v porovnání s konvenční pájkou Hrubší povrch se jeví jako temnější Povrch se může jevit jako konvenční studený spoj, vypadá nepravděpodobně Aktuální vizáž je silně závislá na pastě a procesu Č&B nebo barevné syntetické modelování Normální pájený bod &lakovaný pájený bod Syntetické modelování X-paprskem se stranovým světlem Normální pájený bod &lakovaný pájený bod Stranová histogramová analýza Normální pájený bod &lakovaný pájený bod

99 Pohled na SnPb a SnCuAg pájku SnAgCu SnPb

100 Závěr Povrchová montáž je neustále se rozvíjející, progresivní způsob montáže elektronických sestav a má celou řadu možných provedení Pájení je základní technologickou operací při výrobě elektronických systémů, jež výrazně ovlivňuje spolehlivost a jakost Podílí se více než na 50% poruch Pájení je složitý proces ovlivňovaný řadou chemických reakcí, které mají zásadní vliv na jakost pájených spojů Pájené spoje jsou stále menší a také mezery mezi nimi se snižují

101 Kontrolní otázky 1) 8 základních kroků v technologickém procesu PM (SMT) 2) Parametry pájecích past a jejich nanášení 3) Síta pro sítotisk, jejich parametry a zhotovení šablon 4) Šablony pro šablonový tisk a význam parametru area ratio 5) Způsoby osazování SMD a parametry osazovacích strojů 6) Fázové diagramy pájecích slitin a intermetalické vrstvy 7) Procesní okno pro olovnaté a bezolovnaté pájení 8) Teplotní profil pro pájení vlnou a jeho fáze 9) Způsoby pájení přetavením a odpovídající teplotní profily 10) Ruční pájení princip a teplotní profil 11) Způsoby a důvody pro čištění v elektronice 12) Testovací metody v elektronice 13) Automatická optická inspekce a typy poruch po operaci pájení

102

103